JP2009182173A - Graphene transistor and electronic apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the performance of a graphene transistor by optimizing characteristics of a channel layer using a graphene film at respective places with respect to a graphene transistor and an electronic apparatus. <P>SOLUTION: A carbon film 12 formed of one or more layers of graphene is made of an active region where a carrier travels, and the width in a direction perpendicular to the travel direction of the carrier on the carbon film constituting the active region varies depending on places. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はグラフェントランジスタ及び電子機器に関するものであり、高移動度と高耐圧特性とを両立するための構成に関するものである。   The present invention relates to a graphene transistor and an electronic device, and relates to a configuration for achieving both high mobility and high breakdown voltage characteristics.

シリコン半導体は微細化により高性能化を果たしてきたが、加工技術の限界および発熱のため、その進歩に上限が見えてきた。
そこで、シリコンにかわる電子材料としてカーボン、特にグラフェン膜が提案されている。グラフェンはそのバンド構造からキャリア(電子、正孔)の移動度が大きく、シリコンに代わる将来の高速情報処理システムの構成要素として期待されている。
Silicon semiconductors have achieved high performance by miniaturization, but due to the limitations of processing technology and heat generation, there has been an upper limit to their progress.
Therefore, carbon, in particular, a graphene film has been proposed as an electronic material that replaces silicon. Graphene has high carrier (electron, hole) mobility due to its band structure, and is expected as a component of future high-speed information processing systems that replace silicon.

グラフェンは、上述のようにキャリア速度が大きいという特長を持つが、それ自体はバンドギャップがゼロの半導体であり、そのままトランジスタの材料とすると耐圧の低下、オフ電流の増大を招くという問題がある。   Although graphene has a feature that the carrier velocity is high as described above, itself is a semiconductor having a zero band gap, and if used as a transistor material as it is, there is a problem that a breakdown voltage is lowered and an off-current is increased.

そのため、グラフェン膜にバンドギャップを持たせる方法が各種提案されている。
例えば、グラフェン膜の電流に垂直な方向の幅を微細化し、横方向に量子化するという方法が知られている(例えば、非特許文献1参照)。
Therefore, various methods for providing a band gap to the graphene film have been proposed.
For example, a method is known in which the width of the graphene film in the direction perpendicular to the current is reduced and the width is quantized in the lateral direction (see, for example, Non-Patent Document 1).

図11は、グラフェン膜におけるエネルギーギャップのリボン幅依存性の説明図であり、図から明らかなように、グラフェン膜の幅を細くするほどバンドギャップは増えていく。
近年、このようなグラフェン膜を用いて電界効果型トランジスタを構成することが提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
FIG. 11 is an explanatory diagram of the dependency of the energy gap in the graphene film on the ribbon width. As is clear from the figure, the band gap increases as the width of the graphene film is reduced.
In recent years, it has been proposed to form a field effect transistor using such a graphene film (see, for example, Non-Patent Document 2).

ここで、図12を参照して、グラフェン・リボンFETの一例を説明する。
図12は、従来のグラフェン・リボンFETの概略的平面図であり、幅が5nmのグラフェン・リボン81に、ゲート電極82を挟んでソース電極83及びドレイン電極84を設けたものである。
Here, an example of the graphene ribbon FET will be described with reference to FIG.
FIG. 12 is a schematic plan view of a conventional graphene ribbon FET, in which a source electrode 83 and a drain electrode 84 are provided on a graphene ribbon 81 having a width of 5 nm with a gate electrode 82 interposed therebetween.

なお、グラフェンの成膜方法としては、基板上に直接化学気相成長法などを用い成長する方法が知られている(例えば、特許文献1或いは特許文献2参照)。
B.Obradovic,et al.,Applied Physics Letters,Vo1.88,142102,2006 http://www.ednjapan.com/content/I_news/2006/04/19_01..html 特開平07−002508号公報 特開平08−260150号公報
As a method for forming graphene, a method of growing directly on a substrate using a chemical vapor deposition method or the like is known (for example, see Patent Document 1 or Patent Document 2).
B. Obradovic, et al. , Applied Physics Letters, Vo 1.88, 142102, 2006. http: // www. ednjapan. com / content / I_news / 2006/04 / 19_01. . html JP 07-002508 A Japanese Patent Laid-Open No. 08-260150

FETを構成するために要求される半導体材料の性質は、FETの各パートで必ずしも同一ではない。
例えば、大きな電界がかかるのはゲート端からゲート・ドレイン間にかけてであり、この部分の耐圧がデバイス全体の耐圧を決める(必要ならば、M.Sze,“Physics of Semiconductor Devices”,New York:Wiley,1981 参照)。
それ故、ゲート・ドレイン間にはバンドギャップの大きな材料が好ましい。
The nature of the semiconductor material required to construct the FET is not necessarily the same for each part of the FET.
For example, a large electric field is applied from the gate end to the gate and drain, and the breakdown voltage of this part determines the breakdown voltage of the entire device (if necessary, M. Sze, “Physics of Semiconductor Devices”, New York: Wiley , 1981).
Therefore, a material having a large band gap between the gate and the drain is preferable.

一方、ソース・ゲート間にはドレイン電圧が到達しないため通常、低電界であり、この間でキャリアを加速するには移動度が高い、すなわち有効質量が小さな材料が好ましい。
また、低電界ゆえに耐圧は要求されないので、バンドギャップは小さくてもかまわない。
このように、チャネルのソース側とドレイン側では材料に求められる特性が異なる。
On the other hand, since the drain voltage does not reach between the source and the gate, the electric field is usually low, and a material having high mobility, that is, a small effective mass is preferable for accelerating carriers between these.
Further, since the withstand voltage is not required because of the low electric field, the band gap may be small.
Thus, the characteristics required for the material are different between the source side and the drain side of the channel.

しかしながら、一般に、半導体ではバンドギャップとキャリアの有効質量は比例する関係にあり、バンドギャップを増やすほど有効質量が増大し、移動度の低下を招くというトレードオフがある。
例えば、kp摂動を用いたバンド計算から、mをキャリアの有効質量、Eg をバンドギャップ、hをプランク定数とすると、
m=(h/2π)2 ・Eg /(2P2
の関係が導かれることが知られている。ここで、Pは波動関数から求められる運動量の期待値に比例した定数である(必要ならば、御子柴宣夫,「半導体の物理」,培風館,1982 参照)。
However, in general, in a semiconductor, the band gap and the effective mass of the carrier are proportional to each other, and there is a trade-off that the effective mass increases as the band gap increases, leading to a decrease in mobility.
For example, from a band calculation using kp perturbation, if m is the effective mass of the carrier, E g is the band gap, and h is the Planck constant,
m = (h / 2π) 2 · E g / (2P 2 )
It is known that this relationship is derived. Here, P is a constant proportional to the expected value of momentum obtained from the wave function (see Nobuo Mikoshiba, “Semiconductor Physics”, Baifukan, 1982 if necessary).

しかし、従来のグラフェントランジスタにおいては、グラフェン・リボンの幅を一定にしているので、幅を狭くしてバンドギャップを大きくすることにより耐圧を高めた場合には、キャリアの有効質量が大きくなって動作速度が低下することになる。
一方、幅を広くしてバンドギャップを小さくすることによりキャリアの有効質量を大きくして動作速度を速くした場合には、耐圧が低下するという問題がある。
However, in the conventional graphene transistor, the width of the graphene ribbon is constant, so when the breakdown voltage is increased by narrowing the width and increasing the band gap, the effective mass of the carrier increases and operates. The speed will decrease.
On the other hand, when the operating speed is increased by increasing the effective mass of the carrier by increasing the width and decreasing the band gap, there is a problem that the withstand voltage decreases.

したがって、本発明は、グラフェン膜を用いたチャネル層の特性を各場所で最適化することにより、グラフェントランジスタの性能を向上することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to improve the performance of a graphene transistor by optimizing the characteristics of a channel layer using a graphene film at each location.

本発明の一観点からは、一層以上のグラフェンからなる炭素膜をキャリアが走行する能動領域とするとともに、前記能動領域を構成する前記炭素膜のキャリアの走行方向に垂直な方向の幅が場所によって変化するグラフェントランジスタが提供される。   From one aspect of the present invention, a carbon film made of one or more graphenes is used as an active region in which carriers travel, and the width in a direction perpendicular to the carrier traveling direction of the carbon film constituting the active region depends on the location. A changing graphene transistor is provided.

開示のグラフェントランジスタによれば、チャネル層の特性を各場所で最適化することにより、高性能の電界効果型トランジスタ或いはラテラルヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成することができ、ひいてはグラフェントランジスタを用いた電子機器の性能向上に寄与するところ大である。   According to the disclosed graphene transistor, it is possible to configure a high-performance field-effect transistor or a lateral heterojunction bipolar transistor by optimizing the characteristics of the channel layer at each location, and thus an electronic device using the graphene transistor This greatly contributes to the improvement of performance.

ここで、図1及び図2を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
本発明は、グラフェン膜の幅を場所により変調することにより、バンドギャップを発生させ、かつ有効質量の増大を抑止したトランジスタを提供するものである。
具体的に言うと、ソース・ゲート間或いはベース領域でリボンの幅を大きくして有効質量を小さくして移動度を大きく、ゲート・ドレイン間或いはエミッタ領域でリボンの幅を小さくしてバンドギャップを大きくすることにより、有効質量とバンドギャップのトレードオフを回避し、より積極的にFET或いはラテラルヘテロ接合バイポーラトランジスタの特性を改善することができる。
Here, with reference to FIG.1 and FIG.2, embodiment of this invention is described.
The present invention provides a transistor in which the band gap is generated and the increase in effective mass is suppressed by modulating the width of the graphene film depending on the location.
Specifically, increasing the ribbon width at the source-gate or base region to reduce the effective mass to increase the mobility, and reducing the ribbon width between the gate-drain or emitter region to reduce the band gap. By making it large, the trade-off between effective mass and band gap can be avoided, and the characteristics of the FET or lateral heterojunction bipolar transistor can be improved more actively.

グラフェンの成膜方法としては、基板上に直接化学気相成長法などを用い成長する方法(上述の特許文献1或いは特許文献2参照)や、カーボンナノチューブの先端部に成長したグラフェンシートを絶縁基板に転写する方法、或いは、絶縁基板上に成長させたSiC膜を熱処理によるグラフェン化する方法を用いる。   As a method for forming graphene, a method of growing directly on the substrate by chemical vapor deposition or the like (see the above-mentioned Patent Document 1 or Patent Document 2), or a graphene sheet grown on the tip of a carbon nanotube is used as an insulating substrate. Or a method of graphitizing a SiC film grown on an insulating substrate by heat treatment.

図1は、本発明をグラフェンFETに適用した場合の構成説明図であり、図1(a)は概念的平面図、図1(b)は概略的断面図、及び、図1(c)は、バンドダイヤグラムである。
図においては、絶縁基板11上に形成したグラフェン膜12の内、ソース領域を構成するグラフェン膜12の幅を25nmとし、ドレイン領域を構成するグラフェン膜12の幅を5nmとし、ゲート電極14直下のチャネル領域を構成するグラフェン膜12の幅を25nmから5nmに連続的に変化させる。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration when the present invention is applied to a graphene FET. FIG. 1A is a conceptual plan view, FIG. 1B is a schematic cross-sectional view, and FIG. It is a band diagram.
In the figure, among the graphene films 12 formed on the insulating substrate 11, the width of the graphene film 12 constituting the source region is set to 25 nm, the width of the graphene film 12 constituting the drain region is set to 5 nm, and immediately below the gate electrode 14. The width of the graphene film 12 constituting the channel region is continuously changed from 25 nm to 5 nm.

また、チャネル領域上にはゲート絶縁膜13を介してゲート電極14を設け、ソース領域にはソース電極15を設け、一方、ドレイン領域上にはドレイン電極16を設ける。   A gate electrode 14 is provided on the channel region via a gate insulating film 13, a source electrode 15 is provided on the source region, and a drain electrode 16 is provided on the drain region.

この時、図1(c)に示すように、上述の図11のバンドダイヤグラムのグラフェンリボン幅依存性から明らかなように、ソース側のバンドダイヤグラムは約0.04eVとなり、ドレイン側のバンドダイヤグラムは約0.2eVとなる。   At this time, as shown in FIG. 1C, the band diagram on the source side is about 0.04 eV, as is apparent from the graphene ribbon width dependency of the band diagram in FIG. 11 described above, and the band diagram on the drain side is About 0.2 eV.

ここで、図2を参照して本発明のグラフェンFETと従来のグラフェンFETの性能を、簡単なモデルにより比較してみる。
比較の対象は、ソース側を25nm幅、ドレイン側を5nm幅とした本発明のグラフェンFETと、全体を25nm幅とした従来のグラフェンFET、全体を5nmとした従来のグラフェンFETである。
Here, the performance of the graphene FET of the present invention and the conventional graphene FET will be compared with a simple model with reference to FIG.
The objects of comparison are the graphene FET of the present invention in which the source side is 25 nm wide and the drain side is 5 nm wide, the conventional graphene FET having a total width of 25 nm, and the conventional graphene FET having a total width of 5 nm.

図2は、各グラフェンFETの性能比較図であり、μmax ,Egmaxは移動度及びバンドギャップの最大値、Rs はソース抵抗、gm は相互コンダクタンス、IONは最大ON電流、BVはブレークダウン電圧である。
なお、ここではいくつかのパラメータを仮定しており、
ゲート容量:640nF/cm2
電子濃度:1012cm-2
ゲート−ソース間距離:0.1μm、
電子速度:5×107 cm/s
とした。
なお、全体を5nmとしたグラフェンの性能を3倍しているのは、同じ25nm幅の中には5nmのチャネルを3本配置できるからである。
FIG. 2 is a performance comparison diagram of each graphene FET, μ max and E gmax are the maximum values of mobility and band gap, R s is the source resistance, g m is the mutual conductance, I ON is the maximum ON current, and BV is Breakdown voltage.
Here, we assume some parameters,
Gate capacity: 640 nF / cm 2 ,
Electron concentration: 10 12 cm -2 ,
Gate-source distance: 0.1 μm
Electron speed: 5 × 10 7 cm / s
It was.
Note that the performance of graphene with a total thickness of 5 nm is tripled because three 5 nm channels can be arranged in the same 25 nm width.

まず、ソース抵抗Rs が図の左の2つで低いのは、上述のように、ソース側のリボン幅が広くバンドギャップが小さいためキャリアの有効質量が小さいので移動度が高く、またチャネル幅が広いためである。
また、ソース抵抗Rs が低い結果、相互コンダクタンスgm が向上する。
First, the reason why the source resistance R s is low in the two on the left in the figure is that, as described above, since the ribbon width on the source side is wide and the band gap is small, the effective mass of the carrier is small, so the mobility is high, and the channel width This is because it is wide.
Further, as a result of the low source resistance R s , the mutual conductance g m is improved.

一方、最大ON電流IONは相互コンダクタンスgm と最大動作電圧、即ち、BVに関連し、両者の積で表される。
BVはバンドギャップに比例し、したがって、リボン幅に反比例することになるので、図における右側の2つが高耐圧となる。
On the other hand, the maximum ON current I ON is related to the mutual conductance g m and the maximum operating voltage, that is, BV, and is expressed as a product of both.
Since BV is proportional to the band gap and therefore inversely proportional to the ribbon width, the two on the right side in the figure have a high breakdown voltage.

これから、全ての項目で本発明のグラフェンFETが優れた値を示すことがわかる。
このように、グラフェンFETのチャネル幅を変化させることにより、チャネルの各部分で材料を最適化し、ギャップと移動度のトレードオフを回避し、さらにはFETの特性を改善することが可能になる。
From this, it can be seen that the graphene FET of the present invention shows excellent values in all items.
As described above, by changing the channel width of the graphene FET, it is possible to optimize the material in each part of the channel, avoid the trade-off between the gap and the mobility, and further improve the characteristics of the FET.

また、グラフェンリボンの幅を連続的に変化させることによりバンドギャップを連続的に変化させ、トランジスタ内に電界を発生させ、ドリフト電界を形成することによりキャリアを加速することが可能となる。   In addition, the band gap can be continuously changed by continuously changing the width of the graphene ribbon, an electric field can be generated in the transistor, and carriers can be accelerated by forming a drift electric field.

また、n型、p型の選択ドーピングと組み合わせることにより、基板表面に沿った方向にキャリアが走行するラテラルヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成することが可能となる。
なお、グラフェンに対するドーピング手段としては、n型にドープするためには、グラフェン膜にK(カリウム)原子を吸着すれば良く、また、p型にドープするためには、グラフェン膜にO(酸素)原子をドープすれば良い。
In addition, by combining with n-type and p-type selective doping, it is possible to form a lateral heterojunction bipolar transistor in which carriers run in a direction along the substrate surface.
As a doping means for graphene, K (potassium) atoms may be adsorbed on the graphene film in order to dope n-type, and O (oxygen) in the graphene film in order to dope into p-type. What is necessary is just to dope an atom.

また、グラフェン膜の幅の選択について、まず、ドレイン側の狭い部分の幅の上限は10nm程度であると考えられる。なんとなれば、上記の図11より、幅が10nmにグラフェンリボンのバンドギャップは約0.1eVであるが、室温の熱エネルギーが25meV(=0.025eV)であることを考えると、これ以下では熱によるキャリアの発生が無視できなくなるからである。   Regarding the selection of the width of the graphene film, first, it is considered that the upper limit of the width of the narrow portion on the drain side is about 10 nm. From FIG. 11, the graphene ribbon has a band gap of about 0.1 eV and a room temperature thermal energy of 25 meV (= 0.025 eV). This is because the generation of carriers due to heat cannot be ignored.

次にソース側であるが、幅の下限は5nm程度と考えられる。
このときの移動度は2000cm2 /Vs程度と考えられ、シリコンとの差別化を考えるとこの程度の移動度が必要となるからである。
Next, on the source side, the lower limit of the width is considered to be about 5 nm.
This is because the mobility at this time is considered to be about 2000 cm 2 / Vs, and this degree of mobility is required considering differentiation from silicon.

また、ソース側の幅を十分に大きくすることによりバンドギャップを実質的にゼロとし、金属或いは半金属の特性を持たせることにより、ソース・ゲート間の寄生抵抗をよりいっそう下げることが可能である。   In addition, it is possible to further reduce the parasitic resistance between the source and the gate by making the band width substantially zero by making the width on the source side sufficiently large and giving the metal or metalloid characteristics. .

以上を前提として、次に、図3乃至図5を参照して本発明の実施例1のグラフェンFETの形成工程を説明する。
まず、図3(a)に示すように、シリコン基板21上に例えば、原料ガスにTEOS(テトラエチルオルソシリケート)を用いたプラズマCVD法により厚さが、例えば、200nmのSiO2 膜22を堆積する。
なお、SiO2 膜22の厚さは、電気的に絶縁性が保障されていれば良く、特に制限はない。
Based on the above, the process for forming the graphene FET according to the first embodiment of the present invention will now be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 3A, a SiO 2 film 22 having a thickness of, for example, 200 nm is deposited on a silicon substrate 21 by, for example, a plasma CVD method using TEOS (tetraethyl orthosilicate) as a source gas. .
The thickness of the SiO 2 film 22 is not particularly limited as long as electrical insulation is ensured.

次いで、SiO2 膜22上に原料ガスとしてSiH4 を用いたプラズマCVD法により、厚さが、例えば、5nmのSi活性層23を堆積する。 Next, a Si active layer 23 having a thickness of, for example, 5 nm is deposited on the SiO 2 film 22 by plasma CVD using SiH 4 as a source gas.

次いで、図3(b)に示すように、Si活性層23上に、フラーレン24を堆積させる。
フラーレン24は、例えば、市販のものを用いる。
フラーレンの種類はC60以外としてはC70、C82などが存在するが特に制限はない。
Next, as shown in FIG. 3B, fullerene 24 is deposited on the Si active layer 23.
For example, a commercially available fullerene 24 is used.
As for the type of fullerene, there are C70, C82 and the like other than C60, but there is no particular limitation.

この時、フラーレンを堆積させる手法としては、例えば、MBE法(モレキュラー・ビームエピタキシャル成長法)を用いる。
フラーレンを堆積する真空槽内において、フラーレンが詰め込まれたルツボを抵抗加熱により温度を上げることで、フラーレンを分子線としてSi活性層23上に一様に堆積させる。
ルツボの温度は500−600℃(1×10-9Torr以下)の範囲内であり、温度によりフラーレンの堆積レートの調整は可能である。
真空槽の真空度によりフラーレンの昇華温度は異なるため、フラーレンを昇華中に水晶振動子膜厚計によりレート調整を行う。
典型的な堆積レートは、1ML(monolayer;分子層)/分以下である。
特に、1ML以下の低い堆積量を必要とする場合は、レートは遅い方が好ましい。
At this time, as a method for depositing fullerene, for example, an MBE method (molecular beam epitaxial growth method) is used.
In the vacuum chamber in which fullerene is deposited, the temperature of the crucible filled with fullerene is raised by resistance heating, so that fullerene is uniformly deposited on the Si active layer 23 as a molecular beam.
The temperature of the crucible is in the range of 500 to 600 ° C. (1 × 10 −9 Torr or less), and the fullerene deposition rate can be adjusted by the temperature.
Since the sublimation temperature of fullerene differs depending on the degree of vacuum in the vacuum chamber, the rate is adjusted by a quartz oscillator film thickness meter during sublimation of fullerene.
A typical deposition rate is 1 ML (monolayer) / min or less.
In particular, when a low deposition amount of 1 ML or less is required, a slower rate is preferable.

次いで、図3(c)に示すように、フラーレンの堆積後に850℃以上、例えば、1100℃で、10-2Torr以下の高真空下、例えば、10-3Torrで基板への抵抗加熱或いはヒーター加熱により加熱処理を行う。
この時、Si活性層23の最表面と直接接触するフラーレン24は強い化学結合(化学吸着)を有するため、加熱によっても脱離せず更なる高温によりシリコンカーバイド膜25に変化する。
この際、表面に接触していないフラーレンは互いに物理吸着しているため加熱により表面から容易に脱離し、Si活性層23の表面に直接接合した一層のフラーレン層のみが残り、シリコンカーバイド(SiC)の原料となる。
これにより、シリコンの表面積に対して常に一定量のカーボン原子を供給することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 3 (c), after the fullerene is deposited, resistance heating or a heater is applied to the substrate at 850 ° C. or higher, for example, 1100 ° C. under high vacuum of 10 −2 Torr or lower, for example, 10 −3 Torr Heat treatment is performed by heating.
At this time, the fullerene 24 that is in direct contact with the outermost surface of the Si active layer 23 has a strong chemical bond (chemical adsorption), so that it does not desorb even when heated and changes to a silicon carbide film 25 at a higher temperature.
At this time, since the fullerenes that are not in contact with the surface are physically adsorbed to each other, they are easily detached from the surface by heating, and only one fullerene layer directly bonded to the surface of the Si active layer 23 remains, and silicon carbide (SiC) It becomes the raw material of.
This makes it possible to always supply a certain amount of carbon atoms with respect to the surface area of silicon.

次いで、図3(d)に示すように、作製したシリコンカーバイド膜25を、10-2Torr以下の高真空下、例えば、10-3Torrにおいて、ヒーター加熱により1100〜2000℃、例えば、1350℃で加熱処理することによりシリコン原子を昇華させ、SiO2 膜22上にグラフェン膜26を得る(必要ならば、Appl.Phys.Lett.Vol.77,p.531,2000 参照)。
この時、プロセスに用いるフラーレンは全て脱離ないしはシリコンカーバイドの原料となり、シリコンカーバイドも昇華によりグラフェンとなるため、グラフェン膜26は触媒フリーでSiO2 膜22上に作製することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 3D, the produced silicon carbide film 25 is heated to 1100 to 2000 ° C., for example, 1350 ° C. by heating with a heater under a high vacuum of 10 −2 Torr or less, for example, 10 −3 Torr. To sublimate silicon atoms to obtain a graphene film 26 on the SiO 2 film 22 (see Appl. Phys. Lett. Vol. 77, p. 531, 2000 if necessary).
At this time, all the fullerene used in the process becomes a raw material of desorption or silicon carbide, and silicon carbide is also converted into graphene by sublimation. Therefore, the graphene film 26 can be formed on the SiO 2 film 22 without using a catalyst.

次いで、図4(e)に示すように、イオン注入法或いは表面吸着法により、グラフェン膜26にKをドーバントとして導入することによって、n型グラフェン膜27とする。   Next, as shown in FIG. 4E, an n-type graphene film 27 is formed by introducing K as a dopant into the graphene film 26 by ion implantation or surface adsorption.

次いで、図4(f)に示すように、EB露光を用いたフォトリソグラフィー技術と、酸素プラズマエッチングによりn型グラフェン膜27をパターニングする。
この時、図4(f)の上図の平面図に示すように、ソース側の幅を、例えば、25nmとし、ドレイン側の幅を例えば、5nmとし、その間の長さが40nmのチャネル領域の幅を25nmから5nmに連続的に変化させる。
なお、ドレイン側の端部のドレイン電極を形成する部分の幅は、バンドギャップを小さくして接触抵抗を低減するために、例えば、25nmの幅とする。
Next, as shown in FIG. 4F, the n-type graphene film 27 is patterned by a photolithography technique using EB exposure and oxygen plasma etching.
At this time, as shown in the top plan view of FIG. 4F, the width of the source side is, for example, 25 nm, the width of the drain side is, for example, 5 nm, and the length of the channel region between them is 40 nm. The width is continuously changed from 25 nm to 5 nm.
In addition, the width of the portion where the drain electrode is formed at the end on the drain side is, for example, 25 nm in order to reduce the band gap and reduce the contact resistance.

次いで、図4(g)に示すように、Ti膜及びAu膜を順次堆積させたTi/Auからなるソース電極28及びドレイン電極29を、フォトリソグラフィー及び蒸着・リフトオフ技術により形成する。
なお、ソース電極28及びドレイン電極29がn型グラフェン膜27から外に出ているが、これはn型グラフェン膜27の側面からもコンタクトをとり、コンタクト抵抗を下げるためである。
Next, as shown in FIG. 4G, a source electrode 28 and a drain electrode 29 made of Ti / Au on which a Ti film and an Au film are sequentially deposited are formed by photolithography and evaporation / lift-off techniques.
Note that the source electrode 28 and the drain electrode 29 protrude from the n-type graphene film 27, which is to contact the side surface of the n-type graphene film 27 and reduce the contact resistance.

次いで、図5(h)に示すように、CVD法によりゲート絶縁膜となるSiO2 膜30を全面に例えば、10nmの厚さに成膜する。
次いで、図5(i)に示すように、Ti膜及びAu膜を順次堆積させたTi/Auからなるゲート電極31をフォトリソグラフィー及び蒸着・リフトオフ技術により形成する。
Next, as shown in FIG. 5H, a SiO 2 film 30 serving as a gate insulating film is formed on the entire surface to a thickness of, for example, 10 nm by a CVD method.
Next, as shown in FIG. 5I, a gate electrode 31 made of Ti / Au in which a Ti film and an Au film are sequentially deposited is formed by photolithography and evaporation / lift-off techniques.

次いで、図5(j)に示すように、CVD法により、厚さが、例えば、500nmのSiO2 膜を堆積させて層間絶縁膜32とする。
以降は、配線工程に移るが、通常のグラフェンFETと変わるところ無く、またシリコン・プロセスに準じた工程でもあり、ここでは省略する。
Next, as shown in FIG. 5J, a SiO 2 film having a thickness of, for example, 500 nm is deposited by the CVD method to form the interlayer insulating film 32.
Thereafter, the process moves to a wiring process, but there is no difference from a normal graphene FET, and the process conforms to a silicon process, and is omitted here.

このように、本発明の実施例1においては、ソース−ゲート側のグラフェン膜のリボン幅を25nmとしてバンドギャップを小さくしているので、ソース抵抗が低くなるとともに、キャリアの有効質量を小さくしているので、移動度が大きくなるとともに相互コンダクタンスを大きくすることができる。
一方、ゲート−ドレイン側のグラフェン膜のリボン幅を5nmとしてバンドギャップを広くしているので、耐圧を高めることができ、高耐圧と高移動度を両立することができる。
Thus, in Example 1 of the present invention, since the band gap is reduced by setting the ribbon width of the graphene film on the source-gate side to 25 nm, the source resistance is reduced and the effective mass of the carrier is reduced. Therefore, the mobility can be increased and the mutual conductance can be increased.
On the other hand, since the band gap is widened by setting the ribbon width of the graphene film on the gate-drain side to 5 nm, the breakdown voltage can be increased and both high breakdown voltage and high mobility can be achieved.

次に、図6を参照して、本発明の実施例2のグラフェンFETを説明するが、基本的な形成工程は、上記の実施例1のグラフェンFETの形成工程と全く同様であるので、形状のみ説明図する。
図6は、本発明の実施例2のグラフェンFETの概念的平面図であり、チャネル領域となるn型グラフェン膜33の幅を、例えば、25nmから5nmへと階段的に変化させる。
Next, the graphene FET according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6, but the basic formation process is exactly the same as the formation process of the graphene FET according to the first embodiment. Only the illustration is given.
FIG. 6 is a conceptual plan view of the graphene FET according to the second embodiment of the present invention, in which the width of the n-type graphene film 33 serving as a channel region is changed stepwise from, for example, 25 nm to 5 nm.

この実施例2においても、グラフェン膜のリボン幅を高移動度と高耐圧とが両立できるように場所的に変化させているので、高性能のグラフェントランジスタを実現することができる。
なお、ソース側とドレイン側のリボン幅の差があまりに大きくなると、全てのキャリアがドレイン側に流れ込まなくなる虞がある。
Also in Example 2, since the ribbon width of the graphene film is locally changed so that both high mobility and high breakdown voltage can be achieved, a high-performance graphene transistor can be realized.
Note that if the difference between the ribbon widths on the source side and the drain side becomes too large, all carriers may not flow into the drain side.

次に、図7を参照して、本発明の実施例3のグラフェンFETを説明するが、基本的な形成工程は、上記の実施例1のグラフェンFETの形成工程と全く同様であるので、形状のみ説明図する。
図7は、本発明の実施例3のグラフェンFETの概念的平面図であり、幅が25nmのソース領域及びチャネル領域に対してリボン幅が5nmの3本のドレイン領域341 〜343 を設ける。
Next, the graphene FET according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7, but the basic formation process is exactly the same as the formation process of the graphene FET according to the first embodiment. Only the illustration is given.
Figure 7 is a schematic plan view of a graphene FET of Example 3 of the present invention, a width of the ribbon width provided three drain regions 34 1 to 34 3 of 5nm respect 25nm of the source region and the channel region .

ソース側とドレイン側のリボン幅の差があまりに大きくなると、ドレイン側の電流容量が足りなくなり、ドレイン側の抵抗で電流が律速されることが予想される。
しかし、本発明の実施例3においては、ドレイン側に3本のチャネルを設けているので、全てのキャリアをドレイン側に流すことが可能になる。
If the difference between the ribbon widths on the source side and the drain side becomes too large, it is expected that the current capacity on the drain side will be insufficient, and the current will be limited by the resistance on the drain side.
However, in the third embodiment of the present invention, since three channels are provided on the drain side, all carriers can flow to the drain side.

次に、図8を参照して、本発明の実施例4のグラフェンFETを説明するが、基本的な形成工程は、上記の実施例1のグラフェンFETの形成工程と全く同様であるので、形状のみ説明図する。
図8(a)は、本発明の実施例4のグラフェンFETの概念的平面図であり、幅が10nmから25nmへと連続的に変化するのソース領域及びチャネル領域に対してリボン幅が5nmのドレイン領域34を設ける。
Next, the graphene FET according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8, but the basic formation process is exactly the same as the formation process of the graphene FET according to the first embodiment. Only the illustration is given.
FIG. 8A is a conceptual plan view of a graphene FET according to Example 4 of the present invention, in which the ribbon width is 5 nm with respect to the source region and the channel region whose width continuously changes from 10 nm to 25 nm. A drain region 34 is provided.

図8(b)は、本発明の実施例4のグラフェンFETのバンドダイヤグラムであり、ソース領域からドレイン領域にかけてリボン幅を連続的に変化させることによってバンドギャップも0.1eVから0.04eVへと連続的に変化し、電子を加速するドリフト電界Eが形成され。   FIG. 8B is a band diagram of the graphene FET according to Example 4 of the present invention, and the band gap is changed from 0.1 eV to 0.04 eV by continuously changing the ribbon width from the source region to the drain region. A drift electric field E that continuously changes and accelerates electrons is formed.

本発明の実施例4においては、ソース領域からドレイン領域にかけてドリフト電界が形成されるので、動作速度をより高速にすることが可能になる。   In Embodiment 4 of the present invention, a drift electric field is formed from the source region to the drain region, so that the operation speed can be further increased.

なお、上述の実施例1乃至実施例4のグラフェンFETにおいては、チャネル幅が25nm程度であり、絶対的な電流容量は10μAのオーダーで非常に小さい。
したがって、実際の集積回路中では、複数のチャネルを並列に接続してひとつのトランジスタを形成することになる。
In the graphene FETs of Examples 1 to 4 described above, the channel width is about 25 nm, and the absolute current capacity is very small on the order of 10 μA.
Therefore, in an actual integrated circuit, a plurality of channels are connected in parallel to form one transistor.

次に、図9を参照して、本発明の実施例5のグラフェンラテラルヘテロ接合バイポーラトランジスタ(グラフェンラテラルHBT)を説明するが、基本的な形成工程は、上記の実施例1のグラフェンFETの形成工程と全く同様であるので、形状のみ説明図する。
図9(a)は、本発明の実施例5のグラフェンラテラルHBTの概念的平面図であり、図9(b)は概略的断面図であり、図9(c)はバンドダイヤグラムである。
Next, a graphene lateral heterojunction bipolar transistor (graphene lateral HBT) according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9. The basic formation process is the formation of the graphene FET according to the first embodiment described above. Since it is exactly the same as the process, only the shape will be described.
FIG. 9A is a conceptual plan view of a graphene lateral HBT according to Embodiment 5 of the present invention, FIG. 9B is a schematic cross-sectional view, and FIG. 9C is a band diagram.

この本発明の実施例5のグラフェンラテラルHBTにおいては、SiO2 膜42を介してシリコン基板41上に設けたグラフェン膜をn,p、nに選択的にドーブし、エミッタのリボン幅を狭く、ベース・コレクタの幅をこれより広くすることにより、図9(c)に示すように、エミッタ/ベース界面にヘテロ接合が形成される。 In the graphene lateral HBT according to the fifth embodiment of the present invention, the graphene film provided on the silicon substrate 41 via the SiO 2 film 42 is selectively doped to n, p, and n to narrow the ribbon width of the emitter, By making the width of the base collector wider than this, a heterojunction is formed at the emitter / base interface as shown in FIG.

この場合、エミッタを形成するn型グラフェン膜43のリボン幅を例えば、10nmとし、ベースを形成するp型グラフェン膜44の幅を25nm、長さを40nmとし、コレクタを形成するn型グラフェン膜45の幅を25nmとする。
また、エミッタ電極46及びコレクタ電極48としてはTi/Au電極を用い、ベース電極47としては、同じくTi/Au電極を用いる。
なお、上述のように、n型ドープのためには、グラフェン膜にKを吸着させ、p型ドープのためにはグラフェン膜にOを吸着させる。
In this case, the ribbon width of the n-type graphene film 43 that forms the emitter is, for example, 10 nm, the width of the p-type graphene film 44 that forms the base is 25 nm, the length is 40 nm, and the n-type graphene film 45 that forms the collector Is 25 nm.
Further, a Ti / Au electrode is used as the emitter electrode 46 and the collector electrode 48, and a Ti / Au electrode is used as the base electrode 47.
As described above, K is adsorbed on the graphene film for n-type doping, and O is adsorbed on the graphene film for p-type doping.

従来のHBTでは縦型のHBTしが実現できなかったのに対して、本発明の実施例5においては、グラフェン膜のリボン幅を制御することによって、横型HBT、即ち、ラテラルHBTを実現することができる。   In contrast to the conventional HBT, a vertical HBT could not be realized. In the fifth embodiment of the present invention, a lateral HBT, that is, a lateral HBT, is realized by controlling the ribbon width of the graphene film. Can do.

次に、図10を参照して、本発明の実施例6のグラフェンラテラルHBTを説明するが、基本的な形成工程は、上記の実施例1のグラフェンFETの形成工程と全く同様であるので、形状のみ説明図する。
図10(a)は、本発明の実施例6のグラフェンラテラルHBTの概念的平面図であり、図10(b)は概略的断面図であり、図10(c)はバンドダイヤグラムである。
Next, the graphene lateral HBT of Example 6 of the present invention will be described with reference to FIG. 10, but the basic formation process is exactly the same as the formation process of the graphene FET of Example 1 described above. Only the shape will be described.
FIG. 10A is a conceptual plan view of a graphene lateral HBT according to Example 6 of the present invention, FIG. 10B is a schematic cross-sectional view, and FIG. 10C is a band diagram.

この本発明の実施例6のグラフェンラテラルHBTにおいては、エミッタを形成するn型グラフェン膜51のリボン幅を例えば、10nmとし、ベースを形成する長さが40nmのp型グラフェン膜52の幅を20nmから25nmへ連続的に変化させるとともに、コレクタを形成するn型グラフェン膜53の幅を25nmとする。
また、この場合も、エミッタ電極54及びコレクタ電極56としてはTi/Au電極を用い、ベース電極55としては、同じくTi/Au電極を用いる。
In the graphene lateral HBT according to the sixth embodiment of the present invention, the ribbon width of the n-type graphene film 51 that forms the emitter is, for example, 10 nm, and the width of the p-type graphene film 52 that is 40 nm in length to form the base is 20 nm. The width of the n-type graphene film 53 forming the collector is set to 25 nm.
Also in this case, Ti / Au electrodes are used as the emitter electrode 54 and the collector electrode 56, and Ti / Au electrodes are also used as the base electrode 55.

この実施例6のグラフェンHBTにおいては、ベース部分で連続的にチャネル幅を広くしているので、図10(b)に示すように、バンドギャップはエミッタ端からコレクタ端にかけて狭まり、電子を加速するドリフト電界Eが形成される。
したがって、実施例5のグラフェンHBTに比べて動作速度の向上が可能になる。
In the graphene HBT of Example 6, since the channel width is continuously widened at the base portion, the band gap is narrowed from the emitter end to the collector end as shown in FIG. A drift electric field E is formed.
Therefore, the operation speed can be improved as compared with the graphene HBT of the fifth embodiment.

なお、本発明の実施例5及び実施例6のグラフェンHBTの場合も、絶対的な電流容量は10μAのオーダーで非常に小さいので、実際の集積回路中では、複数の能動領域を並列に接続してひとつのトランジスタを形成することになる。   In the case of the graphene HBTs of the fifth and sixth embodiments of the present invention, the absolute current capacity is very small on the order of 10 μA. Therefore, in an actual integrated circuit, a plurality of active regions are connected in parallel. One transistor is formed.

以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明してきたが、本発明は実施の形態及び各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施例においては、Si活性層の表面にフラーレンを用いてSiC膜を形成したのち、Siを昇華させることによってグラフェン膜を形成しているが、グラフェン膜の形成方法は任意である。
Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments and examples, and various modifications can be made.
For example, in each of the above embodiments, a graphene film is formed by sublimating Si after forming a SiC film using fullerene on the surface of the Si active layer, but the method of forming the graphene film is arbitrary. is there.

例えば、上述のように、基板上に直接化学気相成長法などを用い成長する方法や、カーボンナノチューブの先端部に成長したグラフェンシートを絶縁基板に転写する方法を用いても良いものである。   For example, as described above, a method of growing directly on the substrate using chemical vapor deposition or the like, or a method of transferring a graphene sheet grown on the tip of the carbon nanotube to an insulating substrate may be used.

また、上記の各実施例においては、グラフェン膜の成長基板として、SiO2 膜を形成したシリコン基板を用いているが、絶縁膜はSiO2 膜に限られるものではなく、SiN膜を用いても良い。
なお、SiN膜を用いる場合には、原料ガスとしてSiH4 とNH3 を用いたプラズマCVD法や熱CVD法を用いれば良い。
In each of the above embodiments, a silicon substrate on which a SiO 2 film is formed is used as a growth substrate for the graphene film. However, the insulating film is not limited to the SiO 2 film, and a SiN film may be used. good.
In the case of using a SiN film, a plasma CVD method or a thermal CVD method using SiH 4 and NH 3 as source gases may be used.

さらには、成長基板は、表面に絶縁膜を形成したシリコン基板に限られるものではなく、サファイヤ基板等の高耐熱性の絶縁基板を用いても良い。
また、上記の実施例1等においては、接触抵抗を低減するために各電極をグラフェン膜の端部を覆うように形成しているが、上面からだけで良好なコンタクトがとれるのであれば、実施例6のベース電極或いはコレクタ電極のように、電極をグラフェン膜の上のみに配置しても良い。
Furthermore, the growth substrate is not limited to a silicon substrate having an insulating film formed on the surface, and a high heat resistant insulating substrate such as a sapphire substrate may be used.
In the above-described Example 1 and the like, each electrode is formed so as to cover the end of the graphene film in order to reduce the contact resistance. Like the base electrode or collector electrode of Example 6, the electrode may be disposed only on the graphene film.

また、上記の各実施例においては、nチャネル型FET或いはnpn型HBTとして説明しているが、導電型を反対にしてpチャネル型FET或いはpnp型HBTとしても良いことはいうまでもない。   In each of the above-described embodiments, the n-channel FET or the npn-type HBT is described. However, it is needless to say that the p-channel FET or the pnp-type HBT may be reversed from the conductivity type.

本発明をグラフェンFETに適用した場合の構成説明図である。It is a structure explanatory view at the time of applying the present invention to graphene FET. 各グラフェンFETの性能比較図である。It is a performance comparison figure of each graphene FET. 本発明の実施例1のグラフェンFETの途中までの形成工程の説明図である。It is explanatory drawing of the formation process to the middle of the graphene FET of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1のグラフェンFETの図3以降の途中までの形成工程の説明図である。It is explanatory drawing of the formation process to the middle after FIG. 3 of graphene FET of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1のグラフェンFETの図4以降の形成工程の説明図である。It is explanatory drawing of the formation process after FIG. 4 of graphene FET of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2のグラフェンFETの概念的平面図である。It is a notional top view of graphene FET of Example 2 of the present invention. 本発明の実施例3のグラフェンFETの概念的平面図である。It is a notional top view of graphene FET of Example 3 of the present invention. 本発明の実施例4のグラフェンFETの構成説明図である。It is a structure explanatory drawing of graphene FET of Example 4 of this invention. 本発明の実施例5のグラフェンラテラルHBTの構成説明図である。It is composition explanatory drawing of the graphene lateral HBT of Example 5 of this invention. 本発明の実施例6のグラフェンラテラルHBTの構成説明図である。It is composition explanatory drawing of the graphene lateral HBT of Example 6 of this invention. グラフェン膜におけるエネルギーギャップのリボン幅依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the ribbon width dependence of the energy gap in a graphene film. 従来のグラフェン・リボンFETの概略的平面図である。It is a schematic plan view of a conventional graphene ribbon FET.

符号の説明Explanation of symbols

11 絶縁基板
12 グラフェン膜
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
15 ソース電極
16 ドレイン電極
21 シリコン基板
22 SiO2
23 Si活性層
24 フラーレン
25 シリコンカーバイド膜
26 グラフェン膜
27 n型グラフェン膜
28 ソース電極
29 ドレイン電極
30 SiO2
31 ゲート電極
32 層間絶縁膜
33 n型グラフェン膜
34,341 〜343 ドレイン領域
41 シリコン基板
42 SiO2
43 n型グラフェン膜
44 p型グラフェン膜
45 n型グラフェン膜
46 エミッタ電極
47 ベース電極
48 コレクタ電極
51 n型グラフェン膜
52 p型グラフェン膜
53 n型グラフェン膜
54 エミッタ電極
55 ベース電極
56 コレクタ電極
81 グラフェン・リボン
82 ゲート電極
83 ソース電極
84 ドレイン電極
11 Insulating substrate 12 Graphene film 13 Gate insulating film 14 Gate electrode 15 Source electrode 16 Drain electrode 21 Silicon substrate 22 SiO 2 film 23 Si active layer 24 Fullerene 25 Silicon carbide film 26 Graphene film 27 n-type graphene film 28 Source electrode 29 Drain electrode 30 SiO 2 film 31 Gate electrode 32 Interlayer insulating film 33 n-type graphene film 34, 34 1 to 34 3 drain region 41 silicon substrate 42 SiO 2 film 43 n-type graphene film 44 p-type graphene film 45 n-type graphene film 46 emitter electrode 47 base electrode 48 collector electrode 51 n-type graphene film 52 p-type graphene film 53 n-type graphene film 54 emitter electrode 55 base electrode 56 collector electrode 81 graphene ribbon 82 gate electrode 83 source electrode 84 drain electrode

Claims (5)

一層以上のグラフェンからなる炭素膜をキャリアが走行する能動領域とするとともに、前記能動領域を構成する前記炭素膜のキャリアの走行方向に垂直な方向の幅が場所によって変化することを特徴とするグラフェントランジスタ。 A graphene characterized in that a carbon film composed of one or more graphenes serves as an active region in which carriers travel, and the width in the direction perpendicular to the carrier travel direction of the carbon film constituting the active region varies depending on the location. Transistor. 前記能動領域が電界効果トランジスタのチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域を構成するとともに、前記チャネル領域のうちのソース電極に近い側の前記炭素膜の幅が、前記チャネル領域のうちのドレイン電極に近い側の前記炭素膜の幅よりも広いことを特徴とする請求項1記載のグラフェントランジスタ。 The active region constitutes a channel region, a source region, and a drain region of a field effect transistor, and the width of the carbon film on the side near the source electrode in the channel region is close to the drain electrode in the channel region The graphene transistor according to claim 1, wherein the graphene transistor is wider than the width of the carbon film on the side. 前記チャネル領域を構成する炭素膜の幅が連続的に変化していることを特徴とする請求項2記載のグラフェントランジスタ。 The graphene transistor according to claim 2, wherein the width of the carbon film constituting the channel region is continuously changed. 前記能動領域がラテラルバイポーラトランジスタのベース領域、エミッタ領域及びコレクタ領域を構成するとともに、前記エミッタ領域となる部分の前記炭素膜の幅が、前記ベース領域となる部分の炭素膜の幅よりも狭いことを特徴とする請求項1記載のグラフェントランジスタ。 The active region constitutes a base region, an emitter region, and a collector region of a lateral bipolar transistor, and the width of the carbon film in the portion that becomes the emitter region is narrower than the width of the carbon film in the portion that becomes the base region The graphene transistor according to claim 1. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載のグラフェントランジスタを搭載したことを特徴とする電子機器。 An electronic apparatus comprising the graphene transistor according to any one of claims 1 to 4.
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